Ứng dụng bộ điều khiển mờ trượt điều khiển SVC trên đường dây 110KV

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CAO THỊ MỸ LỆ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƢỢT ĐIỀU KHIỂN SVC TRÊN ĐƢỜNG DÂY 110KV Chuyên ngành : Tự động hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2012 2 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI Phản biện 1: PGS.TS. NGUYỄN HỒNG ANH Phản biện 2: TS. NGUYỄN ANH DUY Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 05 tháng 01 năm 2013. * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thuật toán điều khiển mờ (fuzzy logic) là lĩnh vực có tính ứng dụng cao. Những năm gần đây đã chứng kiến sự phát triển nhanh chóng về số lượng cũng như những ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của fuzzy logic. Một trong những giải pháp nhằm nâng cao tính ổn định của hệ thống và mở rộng khả năng truyền tải là sử dụng hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt, việc nghiên cứu SVC thuộc hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt là rất cần thiết và góp phần vận hành ổn định hệ thống điện. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Trong khuôn khổ Luận văn này, tác giả sẽ đi vào nghiên cứu thuật toán điều khiển mờ trượt để điều khiển thiết bị bù SVC trong hệ thống điệ n. - Mô phỏng bằng Matlab hệ thống điều khiển mờ trượt. - Mô phỏng bằng Matlab hệ thống điều khiển mờ trượt khi thay đổi thông số đối tượng. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu : Bộ điều khiển SVC Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng bộ điều khiển SVC bằng phương pháp điều khiển mờ trượt và mô phỏng trên phần mềm matlab - simulink. Trong đó chỉ tập trung nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển với thông số đầu vào là điện áp tại nút phụ tải biến thiên khi tải thay đổi. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu lý thuyết, xây dựng các phương án, thiết kế trên lý thuyết. 2 - Xây dựng mô hình mô phỏng để kiểm chứng trên phần mềm Matlab-Simulink. - Trên cơ sở các kết quả thu được trên các mô hình để rút ra các đánh giá, kết luận. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu phương pháp điều khiển mới so với phương pháp điều khiển kinh điển là sử dụng bộ điều khiển mờ - trượt để điều khiển SVC. - Ý nghĩa thực tế: Nghiên cứu phương pháp điều khiển mờ trượt điều khiển thiết bị bù tĩnh SVC góp phần vận hành ổn định hệ thống điện, nâng cao chất lượng điện năng cũng như đáp ứng nhanh được sự biến thiên điện áp. 6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Luận văn được trình bày thành 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về bù công suất trong hệ thống điện. Chương 2: Tổng quan về thiết bị bù ngang tĩnh SVC (Static Var Compensator). Chương 3: Lý thuyết điều khiển trượt – mờ. Chương 4: Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển mờ trượt điều khiển SVC trên Matlab – Simulink. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1. VẤN ĐỀ CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN. [1], [4] Công suất phản kháng đóng một vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện, nó cần phải luôn luôn được điều chỉnh để giữ trạng thái cân bằng. Mất cân bằng công suất phản kháng sẽ dẫn đến chất lượng điện áp không đảm bảo, tăng tổn thất, hệ thống mất ổn định. 1.2. BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƢỚI VÀ MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP BÙ. [4], [11] Bù công suất phản kháng trên lưới hệ thống điện gắn liền với điều chỉnh điện áp. Các đường dây cao áp có chiều dài lớn thường được bù thông số thông qua các thiết bị bù dọc và bù ngang. Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết bị bù là nâng cao khả năng tải của đường dây và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây. 1.2.1. Bù dọc. Trị số cảm kháng lớn của đường dây siêu cao áp làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây. Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện cảm kháng X của đường dây) bằng dung kháng X C của tụ điện. Giải pháp này được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây. 1.2.2. Bù ngang. Bù ngang được thực hiện bằng cách lắp kháng điện có công suất cố định hay các kháng điện có thể điều khiển như CRT, SVC, STACOM…(gọi chung là kháng bù ngang) tại các thanh cái của các trạm biến áp. Kháng bù ngang này có thể đặt ở phía cao áp hay phía 4 hạ áp của máy biến áp. Khi đặt ở phía cao áp thì có thể nối trực tiếp song song với đường dây hoặc nối qua máy cắt được điều khiển bằng khe hở phóng điện. 1.3. ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN. [1],[9] 1.3.1. Ảnh hƣởng của điện áp đến hoạt động của HTĐ. Điện áp trong HTĐ luôn biến đổi trong thời gian do: sự biến đổi không ngừng của phụ tải, trước hết là công suất phản kháng, đây là các biến đổi tự nhiên và chậm. Mức điện áp trong HTĐ ảnh hưởng lớn đến tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong HTĐ. Vì thế cần phải thực hiện điều chỉnh điện áp liên tục trong quá trình vận hành HTĐ. 1.3.2. Quan hệ công suất phản kháng-điện áp. Nhu cầu công suất phản kháng thay đổi gây ra sự biến đổi điện áp. Ta biết tổn thất điện áp được tính theo công thức: UjU U RQXP j U XQRP U . . (1.8) 1.4. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN. 1.4.1. Ứng dụng mạng nơron mờ để điều khiển thiết bị bù tĩnh. [9] 1.4.2. Ứng dụng hệ mờ điều khiển SVC trên lƣới. [5] 5 CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH SVC (STATIC VAR COMPENSATOR) 2.1. KHÁI NIỆM CHUNG. 2.2. CẤU TẠO SVC. [5], [6], [11], [12] Hình 2.1 . Nguyên lý cấu tạo của SVC 2.2.1. Bộ thyristor mắc song song ngƣợc. a. Nguyên lý hoạt động của bộ thyristor mắc song song ngược. [2] T1 T2 Ztu Hình 2.2. Bộ thyristor mắc đối song song Thyristor hoạt động tương tự như diode, tuy nhiên ngoài điều kiện điện áp đặt lên bản thân thyristor thuận chiều còn yêu cầu có 6 một xung điện áp đặt lên cực điều khiển. Xung có thể không kéo dài mà thyristor vẫn mở cho đến khi có điện áp ngược đặt lên thyristor. Sang chu kỳ mới, điện áp thuận chiều nhưng mạch cũng chỉ mở khi có tín hiệu điều khiển xung. Rõ ràng thay đổi thời điểm phát xung ở mỗi chu kỳ có thể thay đổi được dạng của đường cong dòng điện. b. Nguyên tắc điều khiển thyristor.[2] Trong thực tế, người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển: nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng “arccos” để thực hiện điều chỉnh vị trí đặt xung kích mở trong những chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”. 2.2.2. Kháng điều chỉnh bằng thyristor – TCR. TCR là một phần tử của SVC với khả năng điều khiển một cách liên tục dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với áp lưới bằng việc điều khiển dòng điện mở thông van thyristor. Dòng điện điện cảm (thuần cảm) có thể được điều khiển để khi = 90 0 độ lớn của dòng là maximum, khi = 180 0 , độ lớn của dòng bằng zero (không có dòng chạy qua). Phần tử cơ bản của TCR là cuộn cảm nối tiếp với một cặp thyristor mắc đối song: Hình 2.6. Cấu tạo TCR 7 2.2.3. Kháng đóng mở bằng thyristor - TSR TSR là một phần tử của SVC, gồm một số cuộn kháng đấu song song, chúng được đóng vào lưới hoặc cắt ra bằng cách kích dẫn hoàn toàn hoặc ngắt hoàn toàn thông qua các van Thyristor. TSR cung cấp một tổng trở và như vậy khi nối vào hệ thống xoay chiều dòng điện phản kháng trong đó sẽ tỷ lệ với biên độ điện áp. Hình 2.8. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TSR 2.2.4. Bộ tụ đóng mở bằng thyristor – TSC. TSC có chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor. Hình 2.9. Cấu tạo TSC 8 2.3. ỨNG DỤNG CỦA SVC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN. [4], [9], [10], [11] 2.3.1. Điều chỉnh điện áp và trào lƣu công suất. Hình 2.11. Sự thay đổi của điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và không có SVC 2.3.2. Giới hạn thời gian và cƣờng độ quá áp khi xảy ra sự cố. Quan hệ quá áp với thời gian được thể hiện ở hình 2.12. Hình 2.12. Quan hệ thời gian và điện áp quá áp 2.3.3. Ôn hòa dao động công suất hữu công. 2.3.4. Tăng khả năng tải của đƣờng dây. [...]... đáp ứng đầu ra trơn hơn và có thể thấy được tính ưu việt khi sử dụng bộ điều khiển mờ trượt b Đáp ứng Bộ điều khiển mờ trượt và bộ điều khiển trượt Hinh 4.28 So sánh đáp ứng BĐK trượt và mờ trượt 23 c Đáp ứng Bộ điều khiển PI Dap ung cua he thong khi su dung BDK PI 1.15 Gia tri dat Dap dung cua bo dieu khien PI Voltage in pu 1.1 1.05 1 0.95 0.9 0 1 2 3 Time in [s] 4 5 6 Hình 4.29 Đáp ứng bộ điều khiển. .. với bộ điều khiển trượt 4.3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ trƣợt a Cấu trúc của bộ điều khiển mờ Hình 4.9 Bộ điều khiển mờ b Mờ hóa đầu vào S S { AL, AN, BK, DN, DL} Hinh 4.10 Khai báo biến ngôn ngữ đầu vào bộ điều khiển mờ 16 c Mờ hóa giá trị đầu ra U= {amlon, amnho, zero, duongnho, duonglon} Hình 4.11 Khai báo giá trị đầu ra bộ điều khiển mờ d Xây dựng luật hợp thành Hình 4.12 Xây dựng luật hợp thành mờ. .. Nguyên lý điều khiển mờ c Thiết kế bộ điều khiển mờ 3.3 CÁC BƢỚC XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƢỢT.[3] 13 CHƢƠNG 4 THIẾT KÊ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƢỢT ĐIỀU KHIỂN SVC TRÊN MATLAB – SIMULINK 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SIMULINK [8] Xây dựng mô phỏng dựa trên các Toolbox của Matlab Simulink như hình 4.1 Hình 4.1 Mô hình SVC trên Matlab Simulink 4.2 MÔ HÌNH KHỐI SVC [13] Hình 4.6 Sơ đồ khối bộ SVC Hàm... điều chỉnh: Đáp ứng của bộ điều khiển Mờ trượt tốt hơn, hầu như không có quá điều chỉnh 2 Thời gian xác lập: Bộ điều khiển PI có thời gian xác lập nhanh hơn, tuy nhiên, ở phía thyristor có góc mở alpha min, điện áp có độ gợn sóng Với mục tiêu ổn định điện áp cuối đường dây, có thể thấy rằng bộ điều khiển Mờ trượt cho chất lượng điều khiển tốt hơn 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1 KẾT LUẬN - Khi sử dụng điều. .. Hình 4.26 Tín hiệu ra bộ điều khiển trượt 22 Bộ điều khiển mờ trƣợt Dap ung cua he thong khi thay doi gia tri dat Actual Value Set Value 1.13 1.12 Voltage in pu 1.11 1.1 1.09 1.08 1.07 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 Time in [s] 2.75 2.8 2.85 Hình 4.27 Tín hiệu ra bộ điều khiển mờ trượt Nhận xét: Qua kết quả mô phỏng trong hai trường hợp bộ điều khiển ta thấy rằng khi sử dụng bộ điều khiển mờ đã giảm đáng kể hiện... 1 KẾT LUẬN - Khi sử dụng điều khiển trượt điều khiển SVC, tín hiệu điều khiển dao động lớn làm giảm tuổi thọ của các khâu công suất - Việc sử dụng bộ điều khiển mờ trượt cho SVC cho kết quả rất khả quan Tín hiệu điều khiển đã giảm độ rung đáng Chất lượng điều khiển đáp ứng tốt với tín hiệu đặt cố định và tín hiệu đặt thay đổi - Tuy đã giảm được độ rung của tín hiệu điều khiển rất nhiều nhưng cũng chưa... theo giá trị đặt - Tín hiệu điều khiển có dao động, tuy nhiên xét trong một chu kỳ dòng điện thì tín hiệu thay đổi không đáng kể, nghĩa là đã giảm được hiện tượng rung tín hiệu điều khiển rất nhiều 4.4.3 So sánh kết quả a So sánh tín hiệu ra của 2 bộ điều khiển: Khảo sát tín hiệu ra của hệ thống trong trường hợp sử dụng bộ điều khiển mờ trượt và bộ điều khiển trượt Bộ điều khiển trƣợt Dap ung cua he... dựng bộ điều khiển trƣợt đơn thuần 3.2 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ (FUZZY LOGIC) [3], [6], [9] 3.2.1 Khái niệm cơ bản 3.2.2 Định nghĩa tập mờ 3.2.3 Các thuật ngữ trong logic mờ 3.2.4 Biến ngôn ngữ 3.2.6 Luật hợp thành a Mệnh đề hợp thành b Luật hợp thành mờ 3.2.7 Giải mờ a Phương pháp cực đại b Phương pháp trọng tâm 3.2.8 Mô hình mờ Tagaki-Sugen 3.2.9 Bộ điều khiển mờ a Cấu trúc một bộ điều khiển mờ b... Nhận xét: - Tín hiệu điện áp hệ thống đáp ứng tốt theo giá trị đặt 19 - Tín hiệu điều khiển dao động rất nhiều, điều này sẽ giảm tuổi thọ của cơ cấu điều khiển, ở bộ SVC thì chính là khâu thyristor 4.4.2 Bộ điều khiển mờ trƣợt a Khi chưa thay đổi giá trị đặt Đáp ứng của hệ thống Hình 4.20 Đáp ứng hệ thống khi chưa thay đổi giá trị đặt BĐK mờ trượt Tín hiệu điều khiển -5 8 x 10 Tin hieu dieu khien cua... thống điện, SVC làm nhiệm vụ tự động điều chỉnh để giữ nguyên điện áp nút a) SVC chỉ có tính cảm b) SVC có cả tính dung và tính cảm Hình 2.20 Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp 12 CHƢƠNG 3 LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT – MỜ VÀ ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT [3], [7] 3.1.1 Xuất phát điểm của phƣơng pháp điều khiển trƣợt 3.1.2 Nguyên lý điều khiển trƣợt